獼猴桃片的熱風干燥特性*

鄧紅，尤毅娜，李寧，王珂，孟永宏，郭玉蓉

(陜西師范大學食品工程與營養科學學院，陜西西安，710062)

獼猴桃(Actinidia chinensis，英文名稱yangtao kiwifruit)原產我國長江流域，是獼猴桃科獼猴桃屬(Actinidia L.)的落葉藤本植物［1］。獼猴桃果實營養豐富，富含多種礦物質、氨基酸和果酸，尤其VC含量極為豐富，被譽為“水果之王”［2-3］。

本研究以開發具有獼猴桃和果粉的雙重優勢和市場前景廣闊的獼猴桃粉為出發點，對獼猴桃片的干燥特性進行探討，通過干燥曲線掌握獼猴桃片熱風干燥的基本規律，得到獼猴桃片的有效水分擴散系數和干燥活化能，并且建立薄層干燥方程，確定了獼猴桃片的干燥溫度。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

獼猴桃:市售秦美牌獼猴桃鮮果。試驗所用全部試劑均為分析純。

1.2 主要試驗儀器與設備

三合一水果削皮器(浙江省永康市天嬌工貿有限公司)，電子天平(YP601N型)及熱風恒溫干燥箱(上海市精密科學儀器有限公司)等。

1.3 實驗內容與方法

1.3.1 原料預處理

原料獼猴桃置于(5+1)℃冰箱中保存。將獼猴桃從冰箱中取出，用自來水清洗干凈，去皮，切成5 mm厚的薄片。每次取140～150 g獼猴桃片均勻地單層擺放在干燥盤中，置于熱風恒溫干燥箱內進行恒溫干燥，每隔10 min測定樣品的質量變化，直到濕基含水率降到11%。根據實驗條件，選擇熱風溫度分別為60、80、100℃，風速為0.2 m/s。每組試驗重復3次。

1.3.2 獼猴桃片的干燥曲線和干燥速率曲線的測定

獼猴桃片熱風干燥過程中的干燥曲線是指物料的平均干基含水量隨干燥時間變化的關系曲線;干燥速率曲線是干燥速率隨水分比變化的關系曲線。

干基含水率(Mt)和干燥速率(dM/dt)的計算公式見式(1)、(2):

其中 :Wt，獼猴桃片在 t時刻的質量，g;G，獼猴桃干物質質量，g;Mt+dt，獼猴桃片在t+dt時刻的水分含量，g/g;Mt，獼猴桃片在t時刻的水分含量，g/g。

1.3.3 有效水分擴散系數和干燥活化能的測定

1.3.3.1 物料的有效擴散系數

有效水分擴散系數反映物料在一定干燥條件下的脫水能力［4］，是一個重要的傳質特性。農產品在降速干燥期，由內部水分擴散控制著整個干燥過程，因此有效水分擴散系數對食品加工操作的計算和模擬都有重要意義，現已證實費克第二定律可用來描述降速干燥階段的水分擴散規律［5］。見式(3):

其中:Deff，物料的有效擴散系數，m2/s;t，干燥時間，s;L，獼猴桃片的厚度，m。

水分比(MR)，如式(4)所示:

其中:Mt，獼猴桃片在t時刻的干基含水率，g/g;Mo，獼猴桃片的初始干基含水率，g/g;Me，獼猴桃片干平衡干基含水率，g/g。

1.3.3.2 干燥活化能Ea

干燥活化能是從能耗方面來評價干燥過程中物料脫除水分的能力。物料干燥難度越大，相應的干燥活化能就越大。物料的干燥條件和擴散系數的關系可以用阿倫尼烏斯公式(Arrhenius equation)表示［6］。

其中:Ea，物料的干燥活化能，kJ/mol;D0，物料中的擴散常數，m2/s;R，氣體狀態常數，值為8.314J/(mol·k);T，物料的熱風干燥溫度，℃。

將公式(5)線性化成式(6):

lnDeff和1/(T+273)均已知，運用線性回歸求得直線的斜率Ea/R，截距為lnD0

1.3.4 薄層干燥模型的建立

干燥數學模型可以很準確的描述干燥過程，研究建立獼猴桃片的熱風干燥模型為摸索獼猴桃片熱風干燥規律、優化干燥工藝提供依據，同時為計算機自動作業提供前提條件。試驗中選擇了選擇幾種主要的果蔬薄層干燥模型如表1所示。

表1 果蔬薄層干燥的數學模型Table 1 The thin-layer drying models of fruits and vegetables

1.3.5 數據處理與模型分析

用excel軟件錄入和計算數據，并且進行圖表繪制，通過DPS數據分析軟件對干燥方程作非線性回歸，對干燥模型進行篩選，平均值顯著水平為95%［11］。選用確定系數(R2)、平方值(χ2)、均方根誤差(RMSE)來評價數學模型的擬合優度。最佳數學模型應具有較高的相關系數R2，較低的平差值和均方根誤差RMSE。計算公式為:

MRexp，i為實驗值，MRpre，i為預測值，N 為觀察值個數，n為干燥方程常數個數。

1.4 分析方法

1.4.1 獼猴桃含水量的測定

采用常壓干燥加熱法［12］，取獼猴桃不同部位，攪碎后稱取樣品20 g，置于干燥托盤中，放入105℃恒溫烘箱干燥2 h，取出后放入干燥器中冷卻0.5 h后稱量，再烘1 h，復稱，重復至干燥前后兩次質量差不超過2 mg，即為恒重。計算公式為:

其中:m，獼猴桃含水量;m1，為在獼猴桃樣品質量，g;m2，為獼猴桃干物質質量，g。

2 結果與分析

2.1 溫度對獼猴桃片干燥速率的影響

按照1.3.1進行試驗，在恒定風速下，不同風溫(60、80、100℃)條件下得到的獼猴桃片干燥曲線如圖1。

由圖1可知，在風速恒定的情況下，溫度越高，干燥周期越短，反之，溫度越低，干燥周期越長。在60、80、100℃下，獼猴桃片干燥至安全含水率的時間分別為400、200、110 min。干燥溫度為100℃的獼猴桃片的干燥時間比其在60℃下縮短了72.5%，因此，適當的提高干燥溫度可以提高干燥效率，但是經過干燥試驗結果對比，在100℃溫度干燥后的獼猴桃片外觀不美觀，表面呈暗紅色，有炭化味。而在60～80℃溫度下干燥的獼猴桃片表面呈金黃色，有正常的獼猴桃香氣，外形圓整飽滿。

圖1 不同溫度條件下獼猴桃的干燥曲線Fig.1 Drying curves of kiwifruit slices with different temperatures

從圖1中還可以看出，獼猴桃片在干燥前期干基含水率快速降低，干燥后期緩慢下降，很多熱風干燥也有類似的結果［13］。原因是干燥前期有大量自由水存在，熱空氣將熱量傳遞給獼猴桃片，使其受熱表面水分快速汽化，并不斷被氣流帶走，在獼猴桃片表面空氣和熱空氣主體之間形成濕度差，同時獼猴桃片內部和表面也存在濕度梯度，使得內部水分不斷向表面擴散，干燥速率比較快。干燥后期獼猴桃片的含濕量逐漸降低，以脫去結合水為主，比較難以蒸發。同時，干燥過程中，獼猴桃片收縮［14］，毛細管間隙變小，表層組織被破壞，形成一層硬殼，水分蒸發阻力增大，干燥速率降低，水分比的變化也就越來越平緩。

圖2和圖3所示的是不同溫度下獼猴桃片干燥速率曲線和干燥速率隨時間變化的曲線。由圖2、圖3可知，獼猴桃片熱風干燥過程中沒有恒速干燥，只存在降速干燥階段，與 Orikasa 等［15］和 Simal等［16］的研究結果一致。兩曲線同樣反映了在風速恒定的情況下，溫度越高，干燥時間就越短。

圖2 不同溫度下獼猴桃片的干燥速率曲線Fig.2 Drying rate curves of kiwifruit slices with different temperatures

圖3 不同溫度下獼猴桃片的干燥速率對干燥時間的曲線Fig.3 The curves of drying rate vs drying time with different temperatures

2.2 獼猴桃片的有效擴散系數和干燥活化能

2.2.1 有效擴散系數

由圖2可知獼猴桃片的整個干燥過程屬于降速干燥，沒有恒速干燥段，因此可以用費克第二定律來計算獼猴桃片在干燥過程中的水分有效擴散系數Deff。

根據公式(3)，作出不同溫度下獼猴桃片水分比lnMR與對應干燥時間t的變化曲線，如圖4所示，利用斜率法計算，從趨勢線方程中得到斜率，即可求得Deff。不同干燥溫度下獼猴桃片的水分擴散系數如表2所示。

圖4 不同干燥溫度下獼猴桃片干燥水分比的自然對數lnMR隨干燥時間的變化曲線Fig.4 The curves of lnMR vs drying time with different temperatures

表2 不同溫度下獼猴桃的熱風干燥水分有效擴散系數Table 2 Moisture effective diffusion coefficients of kiwifruit with different temperatures

果蔬有效擴散系數取決于很多方面，不僅與果蔬本身的一些特性，如品種、形狀、組織結構有關，更是與干燥方式和操作條件有很大的關系。干燥溫度分別為60、80、100℃時，獼猴桃片的水分有效擴散系數 Deff分別為 4.458 ×10-8、8.662 ×10-8、10.421×10-8m2/s，表明了獼猴桃片在熱風干燥過程中的水分有效擴散系數隨干燥溫度的升高而增加。

2.2.2 干燥活化能

根據公式(6)，在60、80、100℃的干燥溫度下，將t和相應的Deff在以lnDeff對1/(T+273)為坐標軸的區域內繪圖，如圖5所示，斜率為Ea/R，計算得干燥活化能。

圖5 水分有效擴散系數與干燥溫度的關系曲線Fig.5 The relation cures of moisture effective diffusion coefficients and drying temperatures

大多數食品的活化能(見表3)的變化范圍在12.7～110 kJ/mol之間［17］。獼猴桃的干燥活化能Ea為26.60 kJ/mol，說明從獼猴桃中去除1 mol水分所需的最低能量為26.60 kJ/mol。

由表3可知，獼猴桃的干燥活化能比西紅柿和蘋果的低，而比毛豆和海帶的要高。這說明獼猴桃的干燥難度要小于西紅柿和蘋果，大于毛豆和海帶。這是由物料本身的性質決定的。

表3 其他食品的干燥活化能Table 3 Drying activation energy of other food

2.3 獼猴桃片干燥動力學模型的研究

2.3.1 干燥常數的確定

用所選的8個模型(表1)對不同干燥溫度下獼猴桃片的干燥曲線進行擬合，結果如表4所示。Page模型、Modified page模型、Logarithmic模型、Wang and Singh模型、均具有很好的擬合效果，R2＞0.98，χ2＜0.4，RMSE＜0.06。其中page方程具有較高的決定系數R2，較低的卡方值χ2和均方根誤差RMSE，更適合用來描述獼猴桃的熱風干燥。模型常數k、n與干燥溫度有關，溫度改變，會引起其取值的變化。干燥常數可表示為:

其中:a、b、c、d、e、f為待定系數;t，熱風溫度，℃。

根據試驗的不同熱風溫度和k、n值，對上式進行線性回歸，得到回歸方程:

把公式帶入page模型方程中，得到:

2.3.2 干燥模型的擬合

圖6～圖8分別表示風溫60、80、100℃下對干燥試驗的計算值與模型預測值比較的結果。由圖6～圖8可知，實驗值和模型預測值具有很好的擬合度，因此page模型可以用來描述獼猴桃片的干燥過程。

圖6 60℃，擬合曲線與原散點圖Fig.6 60℃，Fitted curve and the original scatter plot

圖7 80℃，擬合曲線與原散點圖Fig.7 80℃，Fitted curve and the original scatter plot

表4 獼猴桃干燥模型R2、χ2、RMSE值Table 4 R2，χ2and RMSE for kiwifruit drying model

圖8 100℃，擬合曲線與原散點圖Fig.8 100℃，Fitted curve and the original scatter plot

對8種薄層干燥數學模型與試驗數據進行擬合比較，發現Page模型擬合精度最高，可以很好的描述獼猴桃片的干燥過程。

3 結論

(1)熱風干燥過程中，干燥溫度對干燥特性有顯著影響;干燥溫度越高，干燥時間越短。

(2)獼猴桃片的熱風干燥屬于降速干燥，60、80、100℃干燥條件下，有效水分擴散系數分別是4.458×10-8、8.662 ×10-8、10.421 ×10-8m2/s，隨著干燥溫度的升高而升高;獼猴桃片的干燥活化能為26.60 kJ/mol。

(3)對8種薄層干燥數學模型與本試驗數據進行擬合比較，發現Page模型擬合精度最高，可以很好地描述獼猴桃片的干燥過程。獼猴桃片的薄層干燥數學模型方程為MR=exp(-(0.097 62-0.002 888 t+0.000 021 23t2)t(0.201 8-0.054 8 t-0.000 298 9 t2))。

本試驗結果可為獼猴桃的實際生產加工提供理論依據。

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